仿生构筑高度规整取向的石墨烯复合纤维

Graphene fibers have great application prospects in flexible wearable devices, smart fabrics and other aspects. Traditional graphene fibers are graphitized at extremely high temperature, however, the flexibility of the fiber decreased, resulting in very brittle fibers. Therefore, how to improve the strength and toughness of graphene fibers simultaneously in a relatively mild manner through orientation control is a key issue in advancing the application of graphene fiber materials. Natural materials, such as skeletal muscle, have highly regular arrangement of multi-scale and multi-order structure, showing strong mechanical properties. In this project, inspired by the aligned structure of the skeletal muscle, we constructed ultra-strong and tough graphene fibers through strategy of orientation control and interfacial interaction enhancement. The tensile strength of the graphene-based nanocomposite fiber could be improved up to 1.2 GPa without graphitization. Three strategies of orientation control of graphene nanosheets will be introduced, i.e., stretching, ice-templating and magnetic field. In this project, we would characterize the orientation degree of nanosheets in composite fibers and explore the mechanism of the orientation of matrix materials affecting the properties of composites and provide theoretical guidance and practical basis for the preparation of new graphene nanocomposite fiber.

石墨烯复合纤维作为一种性能优异的材料，广泛应用于先进的智能器件中。目前传统的高强度石墨烯纤维需经过高温处理，会导致其柔韧性降低而且疲劳性能差。因此，如何在低温条件下，通过提高石墨烯纳米片在纤维中的取向度，同时提高石墨烯复合纤维的强度和韧性，是推进石墨烯纤维材料迈向实际应用的关键问题。天然骨骼肌规整排列的多级次结构，赋予其优异的力学性能。受此启发，本项目拟通过拉伸取向、冰模板取向和磁场诱导取向三种策略提高纳米片在纤维中的取向度，同时通过界面修饰加强纤维中纳米片层间的相互作用，使石墨烯复合纤维的力学性能进一步提高，实现未经石墨化的石墨烯复合纤维的力学拉伸强度突破1.2GPa。采用广角X射线衍射等测试方法系统定量表征复合纤维中纳米片层的取向度，探究石墨烯纳米片的规整度对复合纤维性能的影响，揭示基元材料的取向度对复合材料性能的影响规律及其内在机理，为设计高性能石墨烯复合纤维提供理论指导和实践依据。

材料中单元结构或者基元材料的取向度对性能的影响是材料学科的重要研究课题。本项目拟通过控制氧化石墨烯纳米片在材料中的取向度来调控材料的力学性能以及热学性能。项目执行期间，围绕基元材料的取向这个关键科学问题，开展了三方面的研究，主要成果概括如下：1. 通过研究天然果壳材料石细胞单元的堆积方式以及纹孔结构在抵抗裂纹扩展中的重要作用，进一步验证了单元结构或者基元材料的取向对材料性能的重要影响。在研究中还发现了银杏果壳存在一种独特的纹孔诱导裂纹扩展机制。在施加载荷的情况下，石细胞中靠近胞间层的细胞壁会产生分层和撕裂，从而抑制裂纹的扩展；2. 对纤维材料进行拉伸处理，并且通过加入高分子材料，利用高分子的工作温度窗口，提高拉伸取向的效率，从而更高效地提高氧化石墨烯纳米片在复合纤维中的取向；3. 采用简单的冷冻纺丝策略制备得到良好力学性能、隔热性能的石墨烯气凝胶纤维。通过调控凝固浴的温度，可以调控纤维内部的平均孔径，从而调节纤维的力学性能和导热性能。在项目的支持下，在材料学科顶级期刊Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.（PNAS）上发表文章1篇，申请专利2项。其他实验结果正在整理投稿。